基于全要素感知的智慧公路信息化工程設計分析

林奕俊

（廣東華路交通科技有限公司，廣東廣州510080）

0 引言

為了順應公路工程的數字化、信息化、網絡化、協同化以及智慧化發展趨勢，智慧公路基于數字化信息平臺，融合邊緣計算、物聯網以及AI 等信息化技術，以路網感知以及路網數字化技術為基礎，構建一張包括高速公路網、公共交通圖等解決方案，實現對于公路網的全程化可視、可管以及可控，打造安全暢通的公路交通網絡，使得公眾出行更加便捷愉快、交通管理更加高效智能、智慧道路的建設更加綠色經濟，促進全要素感知的智慧公路信息化工程設計。隨著現代社會及科學技術的飛速發展，智慧公路成了公路現代化建設工程的重要標志及高質量發展的關鍵演變形態，我國擁有全世界上最為復雜龐大的高速公路網絡、最復雜的公路應用場景與超大規模的公路線網，因此，發展全要素感知的智慧公路信息化工程具有巨大的發展潛力及廣闊的發展空間。智慧公路在實際應用中，具有以下三個核心價值及優勢：

首先，智慧公路具有精確感知的功能，通過全網智能、多元擬合，實現人、車、路以及環境因素的全天候精準感知。

其次，智慧公路具有實時處理的優勢功能，通過邊緣智能技術對于路網感知數據進行實時化分析處理，迅速地對于各種業務進行實時更新處理。

最后，智慧公路具有云端協同的優勢功能，通過云端化訓練及邊緣推理等信息化技術功能，在線提升智慧公路的信息化能力，面向業務能力進行可持續演進[1]。

根據相關數據顯示，在我國大數據產業生態聯盟聯合《軟件和集成電路》雜志社、賽迪顧問、工信部賽迪智庫共同編制的《2021 中國大數據產業生態地圖暨中國大數據產業發展白皮書》，據其中相關數據統計，截止2020年，我國新建高速公路智能系統市場規模約為24312 億元，較2019年增長了11% 左右，較2020年全面增長6.0%，據前瞻產業研究院預測，到2023年年底，高速公路市場規模將接近25000 億元，復合年增長率約為5%，為保障我國智慧公路的健康發展，應從加大資金投入、加強人才培養、加快技術創新三個方面入手，真正實現智慧公路的設計理念。

1 全要素感知的智慧公路信息化工程概念

全要素感知的智慧公路信息化工程是基于國土空間基礎信息平臺，為高速公路高效智能化監測監管提供影像智能識別、虛擬地理場景智能孿生、業務智能研判、空間智能分析等能力，實現對高速公路“天上看、空中探、地上查、網上管”的一體化的智能感知，全面支撐高速公路的規劃管控、開發利用、保護修復與災害監測監管，為高速公路主管部門、督查部門等提供多尺度、多層級、全域覆蓋的智能感知監測監管手段。

公路信息化施工其實是繼工程建設數字化建設、智能化應用之后的新型公路管理模式和組織形式，是先進信息技術、工業技術與管理技術的深度融合。通過智慧公路信息工程建設，不僅能促進工程建設管理單位內部生產關系的轉型升級，完成與互聯網社會生產力的和諧連接，還能進一步釋放公路管理企業員工的創新和效率活力，為智慧公路信息工程建設管理單位提供可持續發展的動力。全要素感知的智慧公路信息化工程有助于實現自主、實時的全路段運行情況掌握，實現對于智慧公路的運營、服務以及平安三大體系設施基礎的技術手段管理。全要素感知主要包含公路主體及其附屬設施監測、交通運行狀態監測以及公路氣象環境監測等，將多種檢測設備進行融合感知，實現了對于人、車、路以及環境的狀態感知及管理程度，從而實現對于高速公路的交通事件以及氣象環境的自動識別，全面提升智慧公路路段的感知及監測能力。全要素感知的智慧公路信息化工程設計，體現了現代化公路的服務水平，提升了智慧公路項目的服務能力。

2 傳統的公路信息化工程設計過程中存在的主要問題

在全要素感知的智慧公路信息化工程的設計過程中，按照智能化、信息化理念設計全要素感知的智慧公路，有助于使高速公路具備一定的信息化采集服務功能，在信息網絡之中實現互聯共享、迅速地分析處理相關數據及問題，但是，在全要素感知的智慧公路信息化工程的設計過程中，還存在以下幾個方面的問題。

2.1 智慧公路運營工作體系不夠合理

隨著公路基礎設施的逐步形成，公路信息化也進入了人們的視野。但是，公路管理的職能部門還不夠明確，權責劃分仍然不太清晰，這就會導致出現無人管理及管理部門相互推脫職責，或者幾個管理部門共同管理，但處理意見不一致的情況，在一定程度上不僅使責任劃分不清，還導致人力、物力、財力的浪費。

2.2 保障體系不完善

隨著經濟的發展和人們需求的增加，路網規模不斷擴大，隨之而來的是公路信息化建設的壓力，日益繁重的工作使得相關部門無法及時應對具體的施工情況，在一定程度上影響了施工的效率和合理性，從而使施工得不到應有的保障。

目前高速公路信息化建設管理基本上是以自身經濟利益為原則，服務內部群眾，嚴重阻礙了其社會化的全面發展，也增加了統籌管理和保障建設的難度。

2.3 缺乏機電系統技術方面的專業人才

機電系統技術的廣泛應用加速了高速公路的信息化，但目前缺乏機電系統技術方面的專業人才，導致了技術和管理兩方面的問題，不僅在技術上存在基本的技術建設問題，也影響了相關方面的發展規劃。

2.4 信息資源沒有得到充分利用

高速公路擁有龐大的網絡資源和實時信息資源，但是就目前的情況來看，對這些資源的挖掘和利用力度遠遠不夠，因此在高速公路信息上存在著嚴重的資源浪費。

目前，對高速公路信息化最關心的是信息采集，但為了實現高效的信息現代化，更有必要對信息進行處理和利用。

信息收集的最終目的是為決策服務，即對信息進行處理和整理，產生合理的分析結果，使決策者做出更科學的、可行的、可預測的決策。如果停留在信息收集階段，不僅會使信息失去應有的意義，還會在信息收集中造成不必要的經濟損失[2]。

3 全要素感知智慧公路信息化工程總體設計

3.1 數據源采集及云聯網系統

3.1.1 基于現場的道路全程可視化交通數據采集系統

智慧感知的第一要素是可靠的交通數據來源，可視化以及全覆蓋性是道路數據源采集系統的基本前提，因此，可以依托云聯網工作實現道路的全程可視化監測，通過建設全程道路感知可視化建設，實現對于道路每輛車的監控及錄像，并自動生成交通報表，為智慧公路信息化工程提供基礎數據，實現對于高速公路全程路段的全要素感知智能監測，提升智慧公路信息化工程的運行效率及服務效能。

3.1.2 基于后臺的視頻云聯網數據庫建設系統

建設具有可視化、可測性、可控性以及可服務性的高速公路運行監測體系建設，以滿足人民群眾高品質的出行需求，有助于實現交通強國戰略的落實。基于云聯網系統的輔助，通過升級云平臺將道路視頻進行上傳，搭建公眾服務數據庫，此外，還可以通過部省兩級云平臺實現對于高速公路的全程監測管理，打造云聯網數據庫的跨省共享功能，為全國范圍內云數據庫的建設服務[3]。

3.2 閉環數字孿生智慧交通管理系統的設計

智慧交通信息化建設是數字孿生技術的天然沃土，充分利用數字孿生技術的特性搭建數字孿生智慧交通管理系統是智慧交通信息化建設的有效途徑。充分利用現有系統中視頻、雷達、氣象、情報板等各類傳感器的全息數據，將所有數據信息采集到數字孿生系統中，搭建智慧交通管理數字模型進行仿真、預測及控制，并在高精度地圖上進行展示，最終完成對交通路網實時全息感知、態勢展示、擁堵研判、指揮調度、路網評價等功能，從而實現“實時感知—虛擬空間映射—仿真推演—智能決策—實時控制—再感知”的閉環智慧交通管理系統。需要通過建立閉環數字孿生智慧交通管理系統，支撐智慧公路信息化工程的運行，實現對于高速公路的智能化應用。

3.3 毫米波廣域雷達系統的設計

毫米波雷達是一種在毫米波波段探測的雷達，毫米波是指在30～300GHz 頻域、波長為1～10mm 的電磁波，毫米波的波長介于微波和厘米波之間，因此毫米波雷達兼具微波雷達和光電雷達的優點。毫米波廣域雷達系統具備車輛狀態監測功能、交通參數監測功能、交通事故檢測功能、自動存儲功能、故障自動診斷和報警功能以及時鐘同步功能等，將其用于高速公路現代化感知系統的建設之中，有助于實現對于道路全線的智能監測，提升高速公路的監督管理水平，滿足道路交通網絡的高效運行，提升道路的通行效率，降低高速公路事故的發生率。毫米波廣域雷達能夠對于各要素信息進行采集、把控、追蹤、定位及研判等，并將采集到的信息上傳至中心平臺，將應急處理平臺、協調指揮部門及交通控制部門等功能進行結合，形成信息與控制管理的閉環反饋。毫米波廣域雷達還具有天線口徑小、窄波束、大帶寬、多普勒頻率高，反隱身性能好等優勢，通過建立毫米波廣域雷達系統對于全平臺進行高效率運營及統一建設管理，大大降低全要素感知智慧公路信息化工程設計的后期運營維護工作量[4]。

3.4 智慧運維管控平臺系統的設計

智慧運維管控平臺系統指的是通過先進的物聯網技術及大數據平臺，實現對于用戶信息的采集、處理及遠程監測，全面掌握道路的整體運行情況，通過標準化的運維服務流程，轉變傳統的被動運維方式，建立智慧化運維管控平臺的設計。

首先，智慧運維管控平臺具有操作簡單、入門快、多種業務集成、支持移動端工作以及滿足多角色需求等優勢，將其用于全要素感知智慧公路信息化工程設計之中，可以助力高速收費平穩運行。通過設計新收費模式，保障大量智能設備的正常運行，助力高速收費業務平穩運行。

其次，有助于提升運維工作效率。使運維工作更加統一、直觀、便捷，避免了傳統運維方式中操作難、耗時長的弊端，有效提升運維工作的效率。

最后，有助于提升通行率。有效提高高速設施的通行效率和應急保障效率，對于智慧運維管控平臺而言，實現了對于高速公路全程的數字化管理，一旦出現故障及問題，可以通過移動端快速報修，接單人員全程定位跟蹤，從而高效地開展智慧公路應急處置工作[5]。

3.5 硬件生命周期在線監測及遠程維護系統設計

通過硬件生命周期健康監測、故障精準定位、遠程接入、能耗管控以及智能分析等功能，使全要素感知智慧公路信息化工程具備智能分析、風險預警、健康狀態管控以及硬件帶外方式遠程接入等功能，保證全要素感知智慧公路信息化工程對于系統故障的平均修復時間保持在15min 之內，通過建設遠程管理控制器對于各類數據服務器、視頻服務器和存儲核心計算機等設備進行遠程深度控制，水平形變精度為2mm，高程形變精度為5mm，此外，還可以依托全要素感知智慧公路信息化工程硬件生命周期在線監測及遠程維護系統大幅度降低系統的停機風險，提早制定系統檢修計劃，提升硬件生命周期在線監測及遠程維護系統的可靠性，實現全要素感知智慧公路信息化工程的自動運維及遠程維護工作質量[6]。

4 結語

綜上所述，立足全要素感知智慧公路信息化工程建設工作，探討了基于全要素感知的智慧公路信息化工程的設計方案，并對于傳統的高速公路信息化建設監控體系存在的網絡化及智能化水平不足、工作效率低下、公眾對于信息化服務的需求越來越高、光纜信息儲備不足、通信光纜的維修工作煩瑣、維修成本高、公路檢修效率較低、安全風險大以及傳統無線網絡效率較低、維護較為困難等問題，指出了全要素感知的智慧公路信息化工程的設計方案，為全要素感知的智慧公路信息化工程的建設提供了檢驗指導及思路方案，以期為相關類似工程提供經驗指導及借鑒。